JP2019048128A - Device, system, and method for heartbeat signal detection and processing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、心拍を検出するための革新的な装置、システム、及び方法に関する。 The present invention relates to innovative devices, systems and methods for detecting heart beats.
光学的に機能する心拍検出システム(heart beat detection system)(BVP(血液量パルス(Blood Volume Pulse))検出システムとも呼ばれる)が知られている。このようなシステムは、通常、放射光線が身体のあるゾーンに当たるか又はそれを通過した後に、反射又は透過により適切な受光器(receiver)を照射する発光器(light emitter)を使用する。 An optically functional heart beat detection system (BVP (Blood Volume Pulse)) detection system is known. Such systems typically use a light emitter that illuminates a suitable receiver by reflection or transmission after the radiation has impinged on or passed through a zone of the body.
基本的に、このような心拍数モニターは、身体の特定のゾーン内で血液量が経時的に変化する様子を測定することができる検出システムである。 Basically, such a heart rate monitor is a detection system that can measure how blood volume changes over time in a specific zone of the body.
一般に、反射装置は、そのゾーンにおける表在血流次第で反射される光の量が変動する手首などの身体のあるゾーンに配置される。その代わり、透過装置は、光がそれを通過できるように身体の比較的薄い部分(指又は耳たぶなど)の付近に適用され、前記部分における血流により通過する光の変動を検出する。 In general, reflective devices are placed in certain zones of the body, such as the wrist, where the amount of light reflected is dependent on the superficial blood flow in that zone. Instead, the transmission device is applied near a relatively thin part of the body (such as a finger or an earlobe) to allow light to pass through it, detecting changes in the light passing by the blood flow in said part.
しかし、どちらのシステムも、例えば、周囲の光の条件及び測定を受ける人の動きの両方により、有用信号の妨害(disturbance)を受けやすい。 However, both systems are susceptible to disturbances of the useful signal, for example due to both ambient light conditions and the movement of the person receiving the measurement.
例えば、センサは、その内部を血液が流れる変形可能な媒体、即ち、皮膚との接触により機能する。この媒体は、測定を損ない、不要な信号、即ち、雑音を加える機械的変形を受けやすい。 For example, the sensor functions by contact with the deformable medium through which blood flows, i.e. the skin. This medium impairs the measurement and is subject to unwanted signals, ie mechanical deformations that add noise.
反射装置は、長期使用のためにより実用的なものであるが、心拍に続く血流の変動によって発生する反射光線の変動は非常に小さく、その上、一般に、大量の雑音によって左右される。 Reflectors are more practical for long-term use, but fluctuations in the reflected light caused by fluctuations in blood flow following a heart beat are very small and, moreover, are generally dominated by large amounts of noise.
例えば、手首はパルスを検出するための反射センサを装着するために最も便利な位置の1つであるが、例えば、手足、手首、又は指の動きに続くセンサの下の組織の動きによって創出される信号上の雑音は、このゾーンにおけるパルスの光学検出にとって重大な障害の1つである。また、移動又は歩行という行為はセンサ及び組織の相対運動を発生し、それにより重要な特質の更なる妨害を発生する。 For example, the wrist is one of the most convenient positions to wear a reflection sensor for detecting pulses, but it is created, for example, by the movement of tissue under the sensor following the movement of a limb, wrist or finger. Noise on the signal is one of the major obstacles to the optical detection of pulses in this zone. Also, the act of movement or walking generates relative movement of the sensor and the tissue, thereby generating further interference of important features.
当技術分野では、有用信号の上に重畳された様々な妨害をフィルタリングしようと試みて、反射検出中の信号雑音比を改善しようとするために、様々な解決策が提案されている。 In the art, various solutions have been proposed to try to improve the signal-to-noise ratio during reflection detection in an attempt to filter out the various disturbances superimposed on the useful signal.
例えば、運動センサが適用される身体の比較的大きい振幅の動きを検出するために、光センサとともに配置された運動センサを使用することが提案されている。しかし、この検出装置は、センサと下にある組織との相対変位に関するデータを提供せず、通常、人の一部分の過剰な動きの場合に光センサの読み取りを防止するために使用されるものであり、このような過剰な動きは、効果的にフィルタリングできない大量の妨害を発生する可能性があることが先験的に想定されている。しかし、長期の身体活動の場合、心拍の検出が最も関心の高いものである時に、センサは、長期間の間、正確に非活動状態のままになる。 For example, it has been proposed to use a motion sensor arranged with the light sensor in order to detect a relatively large amplitude movement of the body to which the motion sensor is applied. However, this detection device does not provide data on the relative displacement of the sensor and the underlying tissue, and is usually used to prevent the reading of the light sensor in the case of excessive movement of a part of a person Yes, it is assumed a priori that such excessive movement can generate a large amount of interference that can not be filtered effectively. However, in the case of long-term physical activity, when the detection of the heart beat is the one of most interest, the sensor will remain exactly inactive for a long period of time.
また、適切な異なる波長を有する2つの光源を使用することも提案されている。 It has also been proposed to use two light sources with appropriate different wavelengths.
第1の波長はオキシヘモグロビンによって吸収されない波長から選択され(例えば、赤)、第2の波長はオキシヘモグロビンによってより良好に吸収される波長から選択される(例えば、緑)。この結果、組織の動きにより良好に関連する第1の信号と、血流により良好に関連する第2の信号と、が得られる。次に、組織とセンサとの相対運動の影響を緩和するために、第2の信号から第1の信号を適切に除去することにより、雑音のフィルタリングが実行される。このようなシステムは、例えば、欧州特許第2462866号に記載されている。 The first wavelength is selected from wavelengths not absorbed by oxyhemoglobin (e.g. red) and the second wavelength is selected from wavelengths better absorbed by oxyhemoglobin (e.g. green). This results in a first signal better associated with tissue movement and a second signal better associated with blood flow. Next, noise filtering is performed by appropriately removing the first signal from the second signal to mitigate the effects of relative motion between the tissue and the sensor. Such a system is described, for example, in EP2462866.
このタイプのフィルタリング・システムは、雑音が低減された出力信号を提供する。しかし、最も頻繁に、信号雑音比は依然として非常に好ましくない。その上、選択された特定の波長に対する応答は、時間の経過及び/又は測定を受ける人の変化に関して常に一定のままであるわけではない。 This type of filtering system provides a noise reduced output signal. However, most often, the signal to noise ratio is still very undesirable. Moreover, the response to a particular selected wavelength does not always remain constant with respect to the passage of time and / or changes in the person receiving the measurement.
また、混合した方法も、完全に満足ではない結果を提供する。例えば、走行時及びコンピュータでの作業時(指の動き)のどちらでも雑音は非常に大きい。第1のケースでは雑音を除去するために加速度計が最も有用であり、第2のケースでは2つの波長を有するシステムを使用することが好ましい。しかし、従来技術で提案されている両方の方法の同時使用(例えば、米国特許出願第2012/150052号に記載されているもの)は、いくつかの雑音源のみを補償するが、依然として、特別な適用例の場合又は人が自由に日常活動を実行できる場合に満足な信号雑音比を提供するものではない。その上、2つのシステムは互いに干渉し、検出を更に妨げる可能性がある。 Also, mixed methods provide completely unsatisfactory results. For example, the noise is very large both during running and when working with a computer (finger movement). In the first case the accelerometer is most useful for removing noise, and in the second case it is preferred to use a system with two wavelengths. However, the simultaneous use of both methods proposed in the prior art (e.g. as described in U.S. patent application 2012/150052) only compensates for some noise sources, but is still special It does not provide a satisfactory signal-to-noise ratio in the case of the application or when one is free to perform daily activities. Moreover, the two systems may interfere with each other, further interfering with detection.
本発明の一般的な目的は、様々な発生源によって引き起こされた妨害が存在する場合でも心拍の満足な検出を保証することができるシステムを提供することにある。他の目的は、心拍信号を処理するための革新的なシステムを提供することにある。 A general object of the present invention is to provide a system which can guarantee a satisfactory detection of the heart beat even in the presence of disturbances caused by various sources. Another object is to provide an innovative system for processing heart rate signals.
これらの目的を考慮して、本発明により考案した着想は、人の皮膚の上に配置すべき少なくとも1つの光学反射センサユニット(optical reflection sensor unit)を含み、そのセンサユニットには、発光器と、皮膚によって反射された光を電気信号に変換する対応受光器(light receiver)と、が設けられ、動作時に光の所望の波長を選択するために発光器、受光器、又はその両方に接続される電気的に調節可能な光学フィルタを含むことを特徴とする、心拍検出装置(heart beat detection device)を提供することである。 With these goals in mind, the idea devised according to the invention comprises at least one optical reflection sensor unit to be placed on the skin of a person, the sensor unit comprising a light emitter and , A corresponding light receiver for converting light reflected by the skin into an electrical signal, and connected to the light emitter, the light receiver, or both to select the desired wavelength of light in operation Providing an electrically adjustable optical filter, and providing a heart beat detection device.
また、この着想は、無線インターフェース(wireless interface)により、装置からデータを受信してそれを処理するデータ処理伝送ユニット(data processing and transmission unit)に接続される、先行する請求項のいずれか1項記載の少なくとも1つの装置を含み、生理学的データを検出し処理するためのシステムを提供するために考案した。 Also, this idea is any one of the preceding claims connected by a wireless interface to a data processing and transmission unit that receives data from the device and processes it. The invention was devised to provide a system for detecting and processing physiological data, comprising at least one device as described.
また、この着想は、心拍を表す電気信号を得るために、電気的に調節可能な光学フィルタにより少なくとも2つの光波長の影響を区別することと、少なくとも1つの光学反射ユニットから受け取った対応信号を処理することと、を含み、少なくとも1つの光学反射センサユニットにより光学的に心拍を検出するために電気信号の信号雑音比を増加するための方法を提供するために考案した。 The idea is also to distinguish between the influence of at least two light wavelengths by means of an electrically adjustable optical filter in order to obtain an electrical signal representative of the heart beat and the corresponding signal received from at least one optical reflection unit. We have devised to provide a method for increasing the signal-to-noise ratio of an electrical signal to detect heart beat optically by at least one optical reflection sensor unit, including processing.
説明及び図面から明瞭になるように、本発明により心拍数を検出又はモニターするための装置は、皮膚と接触し、中央処理システムと通信するセンサシステムを含むことができる。この遠隔システムは、吸収(absorption)及び蛍光発光(fluorescence)という物理的原理を使用して血液量の変動を測定するための1つ以上の光学検出システムを含むことができる。この光学システムは、
−1つ以上の広帯域発光器(例えば、LED)と、
−1つ以上の広帯域受光器(例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタ)と、
−特定の波長を選択するために、発光器、受光器、又はその両方に接続できる1つ以上の調整可能なモノクロメータと、
を含むことができる。
As will become clear from the description and the drawings, the device for detecting or monitoring the heart rate according to the invention can include a sensor system in contact with the skin and in communication with the central processing system. The remote system can include one or more optical detection systems to measure blood volume fluctuations using the physical principles of absorption and fluorescence. This optical system is
-One or more broadband light emitters (e.g. LEDs);
-One or more broadband receivers (e.g. photodiodes or phototransistors);
One or more tunable monochromators, which can be connected to the light emitter, the light receiver, or both to select a specific wavelength;
Can be included.
また、この心拍数モニターは、
−血液の伝搬時間を推定するために、血流の方向に沿って一定の距離に位置する1つ以上の光学検出システムと、
−皮膚の電気反応を測定するために皮膚と接触している2つ以上の電極を含む電気的検出システムと、
−システムの3次元加速度及び向きを測定するための機械的検出システムと、
のうちの1つ以上を含むことができる。
Also, this heart rate monitor
One or more optical detection systems located at a constant distance along the direction of the blood flow to estimate the propagation time of the blood;
An electrical detection system comprising two or more electrodes in contact with the skin to measure the electrical response of the skin;
A mechanical detection system for measuring the three-dimensional acceleration and orientation of the system;
Can include one or more of
また、この心拍数モニターは、1つ以上のモノクロメータによって光学検出システムが2つ以上の波長で吸収モード及び蛍光発光モードの両方で機能できることを予見することもできる。 The heart rate monitor can also foresee that the optical detection system can function in both absorption and fluorescence modes at more than one wavelength by one or more monochromators.
更に本発明により、血液量信号の信号雑音比を最大化するための方法は、
−光学検出システムの信号に対する吸収モード及び蛍光発光モードでの2つ(又はそれ以上の)波長の影響を区別するステップと、
−光学検出システムの信号レベルを最大化するために、2つ(又はそれ以上の)波長を動的に調整するステップと、
を含むことができる。
Further in accordance with the present invention, a method for maximizing the signal to noise ratio of a blood volume signal is:
Distinguishing the influence of two (or more) wavelengths in the absorption mode and the fluorescence mode on the signal of the optical detection system;
Dynamically adjusting two (or more) wavelengths to maximize the signal level of the optical detection system;
Can be included.
その上、この方法は、
−光学検出システムの信号に対する吸収モード及び蛍光発光モードの影響を結合するステップと、
−光学検出システムからの信号と電気的検出システムの信号とを結合するステップと、
−血液伝搬時間に対する媒体の変形の影響を除去するステップと、
−機械的検出システムによって供給される信号に含まれるその他の機械的影響の結果得られる媒体の変形の影響を除去するステップと、
のうちの1つ以上を含むことができる。
Besides, this method is
Combining the influence of the absorption mode and the fluorescence mode on the signal of the optical detection system;
Combining the signal from the optical detection system and the signal of the electrical detection system;
Removing the influence of the deformation of the medium on the blood propagation time;
Removing the effects of deformation of the medium resulting from other mechanical influences included in the signal provided by the mechanical detection system;
Can include one or more of
また、心拍数モニターは、ユーザの皮膚と接触し、中央処理システムと通信する遠隔システムも含むことができる。 The heart rate monitor may also include a remote system in contact with the user's skin and in communication with the central processing system.
また、この遠隔システムは、
−遠隔プロセッサと、
−遠隔プロセッサに接続された検出システムと、
−遠隔プロセッサに接続された遠隔メモリと、
−遠隔プロセッサに接続されたクロック信号発振器と、
−遠隔プロセッサに接続された遠隔ユーザ・インターフェースと、
−遠隔プロセッサに接続された遠隔トランシーバと、
−遠隔トランシーバに接続された遠隔アンテナと、
−遠隔プロセッサ、検出システム、遠隔メモリ、クロック信号発振器、及び遠隔トランシーバに接続された遠隔バッテリと、
のうちの1つ以上も含むことができる。
Also, this remote system
-Remote processor,
A detection system connected to the remote processor;
A remote memory connected to the remote processor;
A clock signal oscillator connected to the remote processor;
A remote user interface connected to the remote processor,
A remote transceiver connected to the remote processor;
A remote antenna connected to the remote transceiver;
A remote processor, a detection system, a remote memory, a clock signal oscillator, and a remote battery connected to the remote transceiver;
Can also include one or more of
中央処理システムは、
−中央プロセッサと、
−中央プロセッサに接続された中央メモリと、
−中央プロセッサに接続された中央トランシーバと、
−中央トランシーバに接続された中央アンテナと、
を含むことができる。
Central processing system
-Central processor,
-Central memory connected to the central processor,
A central transceiver connected to the central processor;
A central antenna connected to the central transceiver,
Can be included.
前記中央メモリは、中央プロセッサ上で実行できる1組の命令を更に含むことができ、その命令は、
−遠隔システムから受け取った血液量信号の信号雑音比を最大化するためのアルゴリズムと、
−ピーク値の検出に基づいて脈動信号を決定するために最適化された血液量信号を処理するためのアルゴリズムと、
を含む。
The central memory may further include a set of instructions executable on the central processor, the instructions including:
An algorithm for maximizing the signal-to-noise ratio of the blood volume signal received from the remote system;
An algorithm for processing the blood volume signal optimized to determine a pulsation signal based on the detection of peak values;
including.
本発明の革新的な原理と、従来技術と比較した場合のその利点をより明瞭に示すために、添付図面の助けを借りて、これらの原理を適用する実施形態の例について以下に説明する。 To illustrate the innovative principles of the present invention and their advantages as compared to the prior art, examples of embodiments to which these principles apply are described below with the help of the accompanying drawings.
図面に関して説明すると、図1は、心拍を検出するための本発明による第1の反射検出器を示している。 With reference to the drawings, FIG. 1 shows a first reflection detector according to the invention for detecting a heart beat.
一般に10によって示されているこのような検出器は、発光器11(例えば、LEDダイオードエミッタ)と、心拍検出を受けている人の皮膚13上での反射後に発光器(emitter)11の光を受け取る対応受光器12(例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタ)と、を含む。有利なことに、以下に明らかにするように、検出器又は装置10は、例えば、腕時計のように手首の裏側部分に位置決めすることができる。
Such a detector, generally indicated by 10, comprises the light emitter 11 (e.g. an LED diode emitter) and the light of the
受光器12は受け入れた光を電子的処理ブロック14に送られる電気信号に変換し、その電子的処理ブロック14は人の心拍に依存する対応信号15(BVP(即ち、血液量パルス)信号とも呼ばれる)を送出する。ブロック14は、ここに提供する説明に鑑みて当業者によって容易に想像できるように、アナログ増幅回路と、信号を処理するためのプログラマブル・マイクロプロセッサ・デバイスと、の組み合わせにすることができる。
The
有利なことに、発光器11は広いスペクトルの光(例えば、白色光)を放射し、装置10は、それぞれ送信器11及び受光器12の前に配置される調節可能な光学フィルタ16及び/又は調節可能な光学フィルタ17を含む。これらの光学フィルタは、送られたか及び/又は反射された光をフィルタリングするために所望の波長に調整されるように処理ブロック14によって制御することができる。
Advantageously, the
有利なことに、これらの光学フィルタは、いわゆる「モノクロメータ」を含み、広スペクトル光から特定の波長の動的選択を可能にする。特に、本質的に既知のものであって容易に小型化できる調整可能なファブリ・ペロ・モノクロメータを使用することは有利であることが分かっている。 Advantageously, these optical filters include so-called "monochromators", which allow dynamic selection of specific wavelengths from broad spectrum light. In particular, it has proven to be advantageous to use adjustable Fabry-Perot monochromators, which are essentially known and can be easily miniaturized.
同じく有利なことに、この装置は、発光器11の発光光度を所望の値に調整するように処理ブロック14によって制御される、発光器11に電力供給するための回路18を含むことができる。
Also advantageously, the apparatus can include a
以下で明瞭になる理由により、装置10は、処理ブロック14に運動信号を送る既知の加速度計19も含むことができる。有利なことに、加速度計は、システムの3次元加速度及び向きを測定するために選択される。
The
既知の通り、血液中に存在するオキシヘモグロビンは所与の波長を吸収する。この効果は「吸収」という。 As is known, oxyhemoglobin present in blood absorbs a given wavelength. This effect is called "absorption".
その上、オキシヘモグロビンは、吸収されたものとは異なる波長の光の形で、吸収されたエネルギーの一部を再放出する。この効果は「蛍光発光」という。 Moreover, oxyhemoglobin re-releases some of the absorbed energy in the form of light of a different wavelength than that absorbed. This effect is called "fluorescence".
調節可能なフィルタの使用により、始めに一方の効果を使用し、次にもう一方の効果を使用するためにシステムを構成することは可能である。第1のモードでは、吸収を最大化する波長が提供され、同じ波長が受光器12により「観測」される。第2のモードでは、蛍光発光を最大化する波長が提供され、オキシヘモグロビンに特有な蛍光発光波長(エネルギー均衡のために常に入射波長より大きい波長)が受光器11により観測される。
By using adjustable filters, it is possible to configure the system to use one effect first and then the other. In the first mode, a wavelength is provided that maximizes absorption, and the same wavelength is "observed" by the
2つの異なるモード、即ち、「吸収」モードと「蛍光発光」モードで受光器によって読み取られた信号を結合することにより、信号雑音比を改善することは可能である。 It is possible to improve the signal-to-noise ratio by combining the signals read by the receiver in two different modes: "absorption" mode and "fluorescence" mode.
その上、フィルタが調節可能であることにより、その心拍が検出されている人の皮膚の特徴(例えば、年齢、日焼けの程度、皮膚の色つや、脂肪の存在、体毛の存在)に蛍光発光及び/又は吸収波長を適合させることが可能である。 Moreover, the filter is adjustable so that it emits fluorescence and / or on the characteristics of the skin of the person whose heart beat is being detected (eg age, degree of sunburn, skin color, presence of fat, presence of body hair). Or it is possible to adapt the absorption wavelength.
実際に、検出器とオキシヘモグロビンとの間に位置する皮膚は、発光及び/又は受光された光を変質させる可能性のある光学干渉を発生する。従って、おそらく装置がオンになっている場合は常に、蛍光発光モードと吸収モードのどちらでも、皮膚の特徴次第でBVP信号の振幅を最大化する波長を見つけようと試みることは有用であることが分かっている。 In fact, the skin located between the detector and the oxyhemoglobin produces optical interference which can degrade the emitted and / or received light. Therefore, it may be useful to try to find a wavelength that maximizes the amplitude of the BVP signal, depending on the characteristics of the skin, whether in fluorescence or absorption mode, perhaps whenever the device is turned on I know.
例えば、極めて色白の皮膚は、光の浸透に好都合であり、従って、吸収モードではUV帯域に近い波長を効果的に使用することができる。これに反して、日焼けした皮膚又は色黒の皮膚では、その強度がバッテリ寿命に悪影響を及ぼすようなものである場合を除き、小さい波長は受光器に到達することができない。 For example, extremely fair skin favors the penetration of light, so that in the absorption mode wavelengths near the UV band can be used effectively. On the contrary, with tanned or dark skin, small wavelengths can not reach the receiver unless the intensity is such as to adversely affect battery life.
同様の状況は蛍光発光モードでも存在し、紫青帯域での刺激及び橙帯域での検出を実行することによりオキシヘモグロビンの最大応答が得られる。 A similar situation exists in the fluorescence mode, where the stimulation in the purple-blue band and the detection in the orange band give the maximum response of oxyhemoglobin.
換言すれば、動作中に、処理ブロック14は、「吸収」法を使用して心拍を検出するのに適していると見なされる波長(例えば、色黒の皮膚の場合は530〜580nm、極めて色白の皮膚の場合は410〜450nmの範囲内)にフィルタを調整し、受光器12によって反射され捕捉された対応信号を取得することができる。また、処理ブロック14は、「蛍光発光」法を使用して心拍を検出するのに適していると見なされる波長(例えば、発光フィルタの場合は410〜450nm、受光フィルタの場合は590〜630nmの範囲内)にフィルタを調整し、受光器12によって捕捉された対応蛍光発光信号を取得することもできる。(2つの測定間の時間的遅延を適切に補償して)受け取った2つの信号を重畳することにより、暗騒音より大きい振幅を有するBVP信号を得ることが可能である。
In other words, during operation, the
その上、2つの測定中に(又は、有利なことに、皮膚への貼付後に装置をオンにした時に行われる可能性のある較正ステップ中に、又は、動作中に周期的に)、装置は2つのモードで受け取った信号のピークを最大化しようと試みて、蛍光発光及び吸収について定義された基礎波長の領域内でフィルタの波長を変更することができる。より大きい信号が得られる波長を定義した後、装置は、その後の較正動作が実行されるまで、その後の測定にこれらの波長を使用することができる。 Moreover, the device can be operated during two measurements (or, advantageously, during a calibration step that may occur when the device is turned on after application to the skin, or periodically during operation) In an attempt to maximize the peaks of the signal received in the two modes, it is possible to change the wavelength of the filter in the region of the fundamental wavelength defined for fluorescence and absorption. After defining the wavelengths at which a larger signal is obtained, the device can use these wavelengths for subsequent measurements until a subsequent calibration operation is performed.
装置の動作中に定期的に較正を繰り返すことにより、測定に影響を及ぼす可能性のある皮膚の可変条件(例えば、日焼けの程度の変動、発汗、又は温度変化)を補償することも可能である。 By repeating the calibration periodically during operation of the device it is also possible to compensate for variable conditions of the skin which may affect the measurement (e.g. fluctuations in the degree of sunburn, sweating or temperature changes) .
他の利点として、例えば、人の動き又はセンサが配置されている身体のゾーンの筋肉及び腱の動き(例えば、指の動き)によって引き起こされる皮膚と装置の相対運動による信号の妨害を補償することも可能である。実際に、発光器11によって放射された光が、血液の流れに対してあまり敏感ではないが、皮膚の上又は皮膚の下の動きに対してより敏感な波長(例えば、波長650〜750nm)によって特徴付けられるように、フィルタ(又は、両方のフィルタを備えた装置の場合は複数のフィルタ)を調整することが可能である。検出器12によって捕捉された対応信号は、重要な雑音成分を除去するために、適応数値フィルタを介してBVP信号の検出によって得られる電気信号から除去すべき雑音信号として、処理ブロック14によって使用することができる。
Another advantage is to compensate, for example, for disturbances of the signals due to relative movement of the skin and the device caused by movements of the person or muscles and tendons of the zone of the body in which the sensor is arranged (eg finger movements). Is also possible. In fact, the light emitted by the
また、フィルタリングは、実質的に従来技術の使用のための緑色光又は赤色光を選択するため、或いは赤外範囲又はその他の範囲において(適切な発光器を使用して)フィルタリングするためにも行うことができる。 Filtering is also performed to select substantially green or red light for use in the prior art, or to filter in the infrared range or otherwise (using an appropriate light emitter) be able to.
有利なことに、検出器10は、(例えば、人によって実行された身体活動の結果として)装置の重大な動きによる妨害を補償するために、加速度計19によって供給される信号を使用することもできる。加速度計信号は、(例えば、走行時に)突然の加速の場合に介在する適応数値フィルタを提供するために、ブロック14に供給することができる。
Advantageously, the
加速度計19の信号は、光学システムによって検出されたBVP上の雑音の効果的な補償のためには大きすぎる運動雑音発生源に対応するものとして前もって決定されたしきい値より検出された加速度の方が大きい場合に、装置によるBVP信号の放出を防止するために使用することもできる。
The
出力信号上の雑音を低減するために、装置10は、センサ11によって放出される光の光度に有利に作用することもできる。しかし、バッテリ式装置の場合、より大きい光の強度はバッテリ充電の持続時間に否定的影響を及ぼす可能性がある。
In order to reduce noise on the output signal, the
図2は、発光器によって放射された光E(軸X)と受け取った信号の振幅R(軸Y)との関係を概略的に示すグラフを示している。 FIG. 2 shows a graph schematically illustrating the relationship between light E (axis X) emitted by the light emitter and the amplitude R (axis Y) of the received signal.
グラフから分かるように、放射された光と受光器によって測定された反射光線との間には本質的に線形の関係が存在する。従って、センサによって捕捉された周辺光も含む可能性がある雑音信号又はBR(背景反射)信号と、BPR(血液パルス反射)信号は、どちらも発光光度Eの増加につれて増大する。グラフ内の2つの直線の傾きは、光反射曲線を定義するものであり、人によって変化する可能性がある。 As can be seen from the graph, there is an essentially linear relationship between the emitted light and the reflected light measured by the receiver. Thus, both noise or BR (background reflection) and BPR (blood pulse reflection) signals, which may also include ambient light captured by the sensor, increase with increasing luminous intensity E. The slopes of the two straight lines in the graph define the light reflection curve and can be varied by people.
上記のものはいずれも、特定の放射光線Eの場合、第1の人が特定のdR(即ち、血液脈動情報を伝達する反射光線の周期変化の特定の振幅dR)を有する可能性があることを意味する。第2の人は、同じ値Eについて、第1の人の値dRより小さいか又は大きい値dRを有する可能性がある。 In any of the above, in the case of a specific radiation E, the first person may have a specific dR (i.e. a specific amplitude dR of the periodic variation of the reflected light transmitting blood pulsation information) Means The second person may have a value dR that is less than or greater than the first person's value dR for the same value E.
値dRmin(即ち、受け取った最小有用信号値)が確立された場合、発光器は、いずれの場合でも信号dRを値dRminより上に保持することができる放射Eを有するようにブロック14によって有利に制御される。この条件が常に存在することを保証する特定の値(例えば、1000mcd)で絶えず光を放射することは可能であるが、このような解決策の結果、バッテリ電力の不必要な早期摩耗が発生する可能性がある。
If the value dRmin (i.e. the received minimum useful signal value) is established, the light emitter is advantageously arranged by the
有利なことに、代わりに、信号dRが常に値dRminよりほんのわずか高くなければならないことは好ましいことである。従って、Eopt(即ち、E最適)と呼ぶことができるEの値が得られ、この値はこの条件を満足し、人次第で又はその人の異なる条件次第で可変である。これはいずれも例として図2に示されている(Eopt1及びEopt2は2人のサンプルについて同じdR1=dR2=dRminをもたらすものである)。 Advantageously, it is preferable, instead, that the signal dR always always be just slightly higher than the value dRmin. Thus, a value of E is obtained, which can be called Eopt (ie E-optimal), which satisfies this condition and is variable depending on the person or on different conditions of the person. Both are shown by way of example in FIG. 2 (Eopt1 and Eopt2 give the same dR 1 = dR 2 = dRmin for two samples).
従って、ブロック14は、有用信号の振幅を最適化し、同時に、バッテリ寿命を最大化するために、(任意選択で小さい安全マージンで)信号dRをdRminよりわずかに高く保持するように、前述の通り、電力供給要素18により放射Eを有利に変化させることができる。
Thus, as described above, block 14 optimizes the amplitude of the useful signal while at the same time keeping the signal dR slightly higher than dRmin (optionally with a small safety margin) to maximize battery life. The radiation E can be advantageously varied by means of the
従って、必要な場合に必要な時間の間のみ、より高い光の放射を使用して、バッテリ・システム内で高光度発光器(LED)を使用することも可能である。 Thus, it is also possible to use high intensity light emitters (LEDs) in a battery system, using higher light emission only for the required time if necessary.
バッテリ消費を低減するため並びに駆動回路の一部又は全部を発光器間で共有するための両方について、パルス式で及び/又は発光器間で交互に発生源の電力供給を提供することもできる。 It is also possible to provide the power supply of the source alternately in a pulsed manner and / or between the light emitters both for reducing battery consumption and for sharing some or all of the drive circuits between the light emitters.
図3は、本発明による検出器の第2の実施形態を示している。全体が110で示されているこの第2の実施形態では、上記のように10a及び10bで示されている2つの検出器又は装置10が使用され、そのBVP信号出力15a及び15bは処理比較ブロック120によって更に処理される。
FIG. 3 shows a second embodiment of a detector according to the invention. In this second embodiment, generally designated 110, two detectors or
2つの検出器10a及び10bは、一般に装置110が位置決めされる身体の一部において血液の流れの主な方向に沿って配置された対応する光学ユニット(発光器11、受光器12、及び任意の光学フィルタ16及び/又は17によって形成されたもの)とともに配置される。例えば、手足に位置決めする場合、その方向は手足自体の軸に沿ったものになる。特に、手首に位置決めする場合、その方向は有利なことに肘から手の方向にすることができる。
The two
光学ユニット間の距離は、検出器の感度及び身体上で選択された位置次第で、数センチメートル又はそれ未満にすることができる。 The distance between the optical units can be a few centimeters or less, depending on the sensitivity of the detector and the position chosen on the body.
2つの装置10a及び10bを使用することにより、図4に概略的に示されているように、(相互距離次第で)互いに関してわずかに位相変位している2つの信号15a及び15bが得られる。
By using the two
ブロック120によって実行された2つの信号の時間変動に関する相関関係の計算により、2つの光学ユニット間の血液の通過に関する時間「デルタt」を計算することが可能である。
By calculating the correlation of the time variation of the two signals performed by
この時間の変動(又は2つの光学ユニット間の血液の変位の見掛け速度)を検出することにより、2つの光学ユニットの下及びそれらの間の組織の動きに関する情報を得ることが可能であることが分かっている。換言すれば、これらの動きが血管の長さを変化させ、従って、検出された速度値又は、むしろ、(互いに一定の距離にある)2つの光学ユニット間の通過時間を変更する可能性があることが分かっている。 By detecting this temporal variation (or the apparent velocity of blood displacement between the two optical units) it is possible to obtain information about the movement of the tissue under and between the two optical units I know. In other words, these movements can change the length of the blood vessel and thus change the detected velocity values or, rather, the transit time between two optical units (at a constant distance from one another) I know that.
従って、筋肉の動きによって発生し、BVP信号から除去することができる雑音に関する他の情報を入手して、処理ブロック120の出力121で改善されたBVP信号を得ることが可能である。
Thus, it is possible to obtain other information about the noise generated by the muscle movement and which can be removed from the BVP signal to obtain an improved BVP signal at the
有利なことに、装置110は、好ましくは、顕著な皮膚電気活動を有する手首の腹側ゾーンにおいて皮膚の導電率を測定するためのシステムも含む。
Advantageously, the
導電率(又は皮膚の電気的効果)を測定するためのシステムは、有利なことに、選択されたゾーン内の皮膚と接触し、2つの電極間の電気抵抗を検出する測定ブロック124に接続される2つの金属電極122、123を含む。
The system for measuring the conductivity (or the electrical effect of the skin) is advantageously connected to a
抵抗の測定は、低いか又は非常に低い電流が皮膚を横切って流れるようにすることによって、単純に実行することができる。また、その人に関する基準線を平衡させて、それをゼロ線とするように、皮膚を通って流れる電流を制御するために、補償アルゴリズムを使用することもできる。分極及び/又は電気分解現象を回避するために、電極上の電力供給を定期的に反転することができる。その上、皮膚に対して起こり得る損傷及び電極の劣化を防止するために、電極は銀で裏打ちすることができる。 The measurement of resistance can be performed simply by letting low or very low current flow across the skin. A compensation algorithm can also be used to control the current flowing through the skin so as to balance the reference line for that person and make it a zero line. The power supply on the electrodes can be periodically reversed to avoid polarization and / or electrolysis phenomena. Moreover, the electrodes can be lined with silver to prevent possible damage to the skin and deterioration of the electrodes.
極性の反転は、皮膚の外層上にAg+イオンが沈着するリスクを激減させる。皮膚上に沈着した可能性のあるイオンは、極性が反転するたびに電極の表面ともう一度結合される。 The reversal of polarity dramatically reduces the risk of depositing Ag + ions on the outer layer of the skin. The ions that may have been deposited on the skin are once again bound to the surface of the electrode each time the polarity is reversed.
検出器によって測定された抵抗値はブロック124の出力125上に存在し、出力125における導電率の変動を使用して、それに関連する雑音を更に低減するためにBVP信号121の更なる処理を実行する他の処理ブロック126に送られる。
The resistance value measured by the detector is present on the
実際に、光学ユニットの領域内の皮膚上で測定された導電率の変動は、発汗の低速進行に加えられたBVPと同様の進行を有することが分かっている。BVPと同様に観測された導電率の変動は、特に、表在血管に沿って移動し、心拍と同じ周波数で少量の液体を放出する汗腺を収縮させる傾向がある血液の波によるものである。 In fact, it has been found that the variation in conductivity measured on the skin in the area of the optical unit has a similar progression to BVP added to the slow progression of perspiration. The observed variation in conductivity, as with BVP, is particularly due to blood waves that travel along superficial blood vessels and tend to contract the sweat glands that release small amounts of fluid at the same frequency as the heart beat.
この信号は、一般に、非常に小さいものであり、心拍の示度を得るために容易に単独使用することはできないが、上記のように光学的に検出された信号と組み合わせた場合、本発明による装置によって出力されるBVP信号の信号雑音比を更に改善することができる。 This signal is generally very small and can not easily be used alone to obtain an indication of the heart rate, but when combined with the optically detected signal as described above, according to the invention The signal to noise ratio of the BVP signal output by the device can be further improved.
図1には示されていないが、導電率を測定するためのこのシステムは、当業者によって容易に想像できるように、(ブロック120の信号121の代わりに)ブロック14の信号15がその入力に送られる処理ブロック125を使用して、図1による装置10において雑音を低減するために同じように使用することができる。
Although not shown in FIG. 1, this system for measuring the conductivity has the
図3の破線127により例として示されているように、その人に関する他の生理学的情報を提供するために使用するために、皮膚の導電率の低速変動を装置110(又はこのような導電率検出器を使用する装置10)の外部に送ることもできる。
As shown by way of example by the dashed
また、装置110は、図1の装置について記載されているように加速度計19を使用することもできる。加速度計は、この場合、装置のBVP信号出力128の前に位置決めされた最後の処理ブロック126に有利に接続される。装置10及び110のいずれでも、図1及び図3の破線20及び129によって例として示されているように、その人に関する他の情報の提供に使用するために、3次元加速度信号を外部に送ることもできる。
The
図5は、人の生理学的データを検出して処理するための一般に200で示されている有利で完全なシステムを概略的に示している。 FIG. 5 schematically illustrates an advantageous and complete system, generally designated 200, for detecting and processing human physiological data.
システム200は、本明細書に記載されている検出器10又は110と同じタイプの検出器を含む遠隔装置201を含み、その検出器のBVP信号(15又は128)及び任意の導電率信号127はデータ処理伝送ユニット202に送られる。
このユニット202は、適切にプログラミングされたマイクロプロセッサ・ユニットとして有利に形成され、従って、装置10、110から信号を受け取るプロセッサ203と、プロセッサ203に接続されたプログラム・メモリ204と、データ・メモリ205と、伝送ユニット206と、を有利に含む。
This
ユニット202は、遠隔装置201に組み込むか或いは全体的に又は部分的に個別装置として設計することができ、コマンドを導入するため並びにデータ及び情報を表示するための既知のシステム(例えば、タッチスクリーン式ディスプレイによる)を含むこともできる。
The
ユニット202は、1つ以上の端末209と通信状態にある可能性がある遠隔サーバ208と(有利なことにインターネットへの接続のために無線又は携帯電話接続を介して)通信するように設計することができる。
The
このようにして、装置201によって処理又は前処理された生理学的データは、(同じくサーバ208による更なる処理後に)遠隔表示制御端末209に送ることができる。従って、装置201を装着している人の遠隔検査が可能である。サーバによって(又はオペレータによる操作時に遠隔端末209によって)処理されたデータは、例えば、測定が実行されている人により、局所表示のためにユニット202に送ることができる。
In this way, physiological data processed or preprocessed by the
信号15、128、及び127は、ユニット202に直接送るか又は本質的に既知のものである(有線又は有利なことに無線タイプの)通信インターフェース207を介してやり取りすることができる。
The
無線接続の場合、検出器10、110は、適切な通信インターフェース207とともに、ポケットに保持されるか又は手持ち式の処理通信ユニット202と無線方式で通信する(例えば、腕時計の形の)小さいポータブル装置に組み込むことができる。
In the case of a wireless connection, the
図6は、図5による装置201の有利な一実施形態を示している。この実施形態では、検出器10、110は、手首に装着すべき装置210の形に設計されており、光センサは装置がストラップ211により手首に固定された時に皮膚と接触して配置されることが意図されている側に配置されている。好ましくは、ストラップ自体に電気的センサが配置される。有利なことに、シールリング212は、光センサの周りに設けることができ、皮膚に押し付けられ、センサによってモニターされるエリア内に周辺光及び/又は外部の湿気が入るのを防止する。
FIG. 6 shows an advantageous embodiment of the
装置210は、容易に想像できる適切なプログラミングにより、処理通信ユニット202の機能を実行するインテリジェント端末(有利なことに、スマートフォン又はタブレットなど)と無線方式で(例えば、有利なことに低エネルギーのBluetoothタイプのインターフェース207を介して)通信する。この端末は、データの遠隔処理又は表示が必要な場合に、前述のように無線方式でインターネット又は携帯電話ネットワークと通信することができる。
The
コマンドの入力及び情報の表示は、端末202のタッチスクリーン213によりその場所で容易に実行することができる。 The input of commands and the display of information can be easily performed at that location by the touch screen 213 of the terminal 202.
図5及び/又は図6に示されているシステムの興味深い適用例は、装置210を装着している人及び/又は端末209を介する遠隔オペレータに対して、ストレス状態、身体活動及び身体条件のレベル、睡眠の質、興奮レベルなどの様々な生理学的パラメータを示すという適用例である可能性がある。これらのパラメータは、装置210によって検出された信号を基礎として決定することができる。また、オペレータは、複数の人が装着している複数の遠隔検出器からデータを受け取ることもできる。
An interesting application of the system shown in FIG. 5 and / or FIG. 6 is the level of stress conditions, physical activity and conditions for the person wearing the
この時点で、予め定義された目的がどのように達成されたかは明瞭である。本発明による方法及び装置を使用すると、妨害が存在する多くの条件において精密かつ信頼できる信号を得ることが可能である。例えば、吸収モードと蛍光発光モードを切り替えながら、外部条件並びに皮膚の状態及びタイプ次第で光の色を選択し、システムの動作モードを変更することが可能である。 At this point it is clear how the predefined objectives have been achieved. Using the method and apparatus according to the invention, it is possible to obtain a precise and reliable signal in many conditions where interference is present. For example, while switching between absorption and fluorescence modes, it is possible to select the color of the light depending on the external conditions and the condition and type of skin and to change the operating mode of the system.
本発明による心拍数モニターは、皮膚と接触し、中央処理システムと通信するセンサシステムを有利に含むことができる。その上、このセンサシステムは、吸収及び/又は蛍光発光という物理的原理を使用して血液量の変動を測定するための1つ以上の光学検出システムを含むことができる。この光学システムは、1つ以上の広帯域発光器(LED)及び1つ以上の広帯域受光器と、特定の波長を選択するために発光器、受光器、又はその両方に接続される1つ以上の調整可能なモノクロメータ・フィルタと、を有利に含む。 The heart rate monitor according to the invention can advantageously include a sensor system in contact with the skin and in communication with the central processing system. Moreover, the sensor system can include one or more optical detection systems for measuring blood volume fluctuations using the physical principle of absorption and / or fluorescence. The optical system includes one or more broadband emitters (LEDs) and one or more broadband receivers, and one or more connected to the emitters, the receivers, or both to select a particular wavelength. And advantageously an adjustable monochromator filter.
本発明の原理により、必要であれば、血液伝搬時間に対する組織の変形の影響を除去することが可能である。伝搬速度は、脈拍自体によって部分的に変更されるが、組織を伸ばすことによって更に変更される。記載されているシステムにより得られる信号を適切に使用することにより、他の雑音成分を除去することが可能である。その上、必要であれば、加速度計によって測定された「肉眼的」動きの影響を除去することが可能である。また、高光度発光器を効果的に使用することも可能である。 By the principles of the present invention, it is possible to eliminate the effect of tissue deformation on blood propagation time, if necessary. The propagation speed is partially altered by the pulse itself but is further altered by stretching the tissue. By appropriate use of the signals obtained by the described system it is possible to remove other noise components. Moreover, if necessary, it is possible to eliminate the effects of "macroscopic" movement measured by the accelerometer. It is also possible to use high intensity light emitters effectively.
明らかに、本発明の革新的な原理を適用する諸実施形態について上記で提供した説明は、これらの革新的な原理の例として提供されており、従って、本明細書で請求している権利の範囲を限定するものと見なしてはならない。 Clearly, the description provided above for the embodiments applying the innovative principles of the present invention is provided as an example of these innovative principles, and thus, the claimed right of the present invention. It should not be considered as limiting the scope.
例えば、個別のものとして上記で記載されている様々な処理ブロックは、当業者によって容易に想像できるように、互いに組み合わせて単一処理ブロック(例えば、適切にプログラミングされたマイクロコントローラ・ユニット)にすることもできる。例えば、検出器10のブロック14又は2つの検出器10a及び10bは単一処理ブロックとして設計することもでき、そのブロックはブロック120並びにおそらくブロック124及び126も含むことができる。有利なことに、様々なブロックは、吸収モード中に光学検出システムを制御し光学検出システムから信号を受け取るためのアルゴリズム、蛍光発光モード中に光学検出システムを制御し光学検出システムから信号を受け取るためのアルゴリズム、皮膚の導電率の検出のためのシステムを制御し皮膚の導電率を検出するためのシステムから信号を受け取るためのアルゴリズム、加速度(又は機械的運動)を検出するためのシステムを制御し加速度検出システムから信号を受け取るためのアルゴリズム、のうちの少なくとも1つを含む複数アルゴリズムにより実現することができる。
For example, the various processing blocks described above as discrete may be combined with one another into a single processing block (e.g., a suitably programmed microcontroller unit), as can be readily imagined by one skilled in the art. It can also be done. For example, block 14 of
これらのアルゴリズムは、この説明を基礎として当業者によって想像できるように、本発明による装置に含まれるプロセッサによって実行できる適切なプログラムにより実現することができる。有利なことに、フィルタはいずれも適応数値フィルタにすることができる。 These algorithms can be implemented by means of suitable programs that can be executed by the processor included in the device according to the invention, as can be imagined by the person skilled in the art on the basis of this description. Advantageously, any of the filters can be adaptive numerical filters.
遠隔伝送の場合、装置のトランシーバを介して外部の処理ユニットへのその伝送のために1つ以上の検出装置から受け取った信号をコード化するためのアルゴリズム、並びにトランシーバを介して外部の処理ユニットから受け取った信号をデコードするためのアルゴリズムを予見することも可能である。他のプログラム部分は、装置のユーザ・インターフェース上で状況発光器(例えば、LED)を制御するための状況コマンドを管理することができる。 In the case of remote transmission, an algorithm for encoding a signal received from one or more detection devices for its transmission to an external processing unit via the transceiver of the device, as well as from an external processing unit via the transceiver It is also possible to foresee an algorithm for decoding the received signal. Another program portion may manage status commands for controlling a status light (eg, an LED) on the user interface of the device.
光の波長について選択可能なフィルタを使用するシステムにより、検出動作の特定の態様を最適化するために、3つ以上の波長(例えば、青、緑、赤外)で得られる信号を使用し、比較し、処理することも可能である。 The system using filters selectable for the wavelength of light uses signals obtained at more than two wavelengths (eg blue, green, infrared) to optimize certain aspects of the detection operation, It is also possible to compare and process.
上記の実施形態の例に同時に取り入れられるものとして記載されている本発明による様々な革新的な解決策は、本発明による装置及びシステムにおいて個別に使用することもでき、或いは異なる組み合わせにすることもできる。 The various innovative solutions according to the invention described as being incorporated simultaneously into the examples of the above embodiments can also be used individually in the device and system according to the invention or in different combinations. it can.
本発明による装置(例えば、その装置構成210のもの)は、システム状況を示すためにプロセッサに接続された3色状況発光器(LED)及び検出装置と会話するために遠隔プロセッサに接続されたプッシュボタンなど、実際の動作に有用な他の要素も含むことができる。状況インジケータによって示される状況は、バッテリ電力低下、バッテリ充電中、データ取得モードのうちの少なくとも1つにすることができる。また、装置は、内部バッテリを充電するためのポートも含むことができる。
The device according to the invention (e.g. that of its device configuration 210) is connected to a tri-color status light (LED) connected to the processor to indicate system status and a remote processor to talk to the detection device Other elements useful for the actual operation, such as buttons, may also be included. The status indicated by the status indicator can be at least one of low battery, during battery charging, and data acquisition mode. The device can also include a port for charging the internal battery.
Claims (18)
動作時に前記光の所望の波長を選択するために前記発光器、前記受光器、又はその両方に接続される電気的に調節可能な光学フィルタ(16、17)を含むことを特徴とする、心拍検出装置。 At least one optical reflection sensor unit (10) to be arranged on the skin of a person, said sensor unit comprising a light emitter (11) and corresponding light reception converting light reflected by said skin into an electrical signal A heart beat detection device provided with
A heart beat, characterized in that it comprises electrically adjustable optical filters (16, 17) connected to the light emitter, the light receiver, or both to select the desired wavelength of the light in operation. Detection device.
14. The electrical signal representing the heart beat is used to estimate various physiological parameters of a person, such as stress status, level of physical activity and condition, quality of sleep and / or excitement level. Method described.
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